筚路蓝缕启原位透射电镜之路 笃行不息拓国产高端仪器之疆

　　近日，国家自然科学基金委员会揭晓2023年度中国科学十大进展。厦门大学化学化工学院、固体表面物理化学国家重点实验室廖洪钢教授、孙世刚院士团队研究成果“发现锂硫电池界面电荷存储聚集反应新机制”入选。此项成果基于研究团队自主开发的高时空分辨电化学原位液相透射电镜技术，而廖洪钢正是该技术领域的开拓者之一。
 

　　在科研道路上，廖洪钢一路披荆斩棘，见证了原位液体透射电镜技术从被质疑到获得认可，并最终成为一项具有“颠覆性”的技术变革。他也从最初的科研“冷板凳”上站起，成为这一新领域的领军人物。化工仪器网有幸对廖洪钢教授进行了专访，深入了解了他在原位透射电镜研究中的精彩故事，以及他为推动原位液相透射电镜技术产业化作出的巨大贡献。
 

 

　　原位液相透射电镜技术：从探索到突破
 

　　透射电镜(TEM)具有超高的时间和空间分辨率，是化学、材料及其他相关学科领域的强大表征分析工具。但常规透射电镜利用电子束作为照明源，需要在高真空环境中运行，因此样品以固体和干燥样品为主，限制了其在液体领域的应用。
 

　　早在1930年代，研究者就开始尝试利用两片铝箔包裹样品的方法进行液体环境的透射电镜研究，但这种方法仅能提供微米量级的分辨率，几乎无法满足实际应用的需求。直到进入21世纪，随着微纳加工等技术的发展，用于封存液体样品的微型液体池被成功设计制造出来，才使得原位透射电镜技术得到突破性的进展。
 

　　2003年，F. M. Ross课题组首次采用非晶氮化硅薄膜作为电化学液体池的观察窗口原位研究了Cu在Au电极的电化学沉积过程。这一创新成为后续液相透射电镜技术的原型。但在初期，由于难度高、投入大，原位透射电镜技术并未得到广泛认可。
 

　　2009年，劳伦斯伯克利国家实验室郑海梅教授通过微纳加工方法制作了一种静态液体池用于研究单晶铂纳米晶体的生长，这种结构将分辨率提升至亚纳米级别。在此之后，郑海梅团队进一步拓展研究方案，发表了一系列研究成果，充分展示了原位液相透射电镜的应用潜力，从而掀起了这一领域的研究热潮。而廖洪钢在劳伦斯伯克利国家实验室担任助理研究员时期，导师正是郑海梅教授。
 

　　“前十年大家还在思考这个东西到底能做什么，到后十年，因为有了热点的应用方向，才开始快速发展。”廖洪钢说，“但目前它仍处于非常早期的发展阶段。”过去十多年，原位液相透射电镜技术的应用集中在很小的领域。廖洪钢认为，现在是该技术正要大规模发展其他应用的关口，未来还会有非常大的发展机遇。
 

　　用坚持与好奇书写原位电镜新篇章
 

　　在廖洪钢涉足原位电镜研究领域之初，该领域尚属未知，甚至连原位电镜的概念都未曾存在。他仅凭着一股“想要证明自己”的韧劲，毅然踏上了这条探索之路。研究生时期，他在纳米材料合成研究中观察到了各种形状的纳米材料。当他尝试向期刊投稿时，却由于提出的合成机理缺少足够证据而遭到质疑。这次经历让廖洪钢下定决心，要通过电镜观察纳米材料生长的整个过程。这一信念贯穿了他的研究生涯，并成为支持他在还未被前人开拓的科研道路上前行不辍的动力。
 

　　谈到多年的“冷板凳”以及周围不理解的声音，廖洪钢报以从容微笑。那些承受否定与压力的岁月，如今已成为他独立研究时的宝贵财富。回国后，廖洪钢带领团队进行了无数次的尝试，尽管过程中充满了失败与挫折，但他从不将其视为失败。他深知，要利用新的技术和方法得到新的研究成果，需要不停地思考和尝试，尤其是在没有前人经验的情况下。
 

　　数十年如一日的研究最终结出了累累硕果。廖洪钢及其团队开发了多种原位电镜芯片反应器及系统，将气液体流场引入电镜，实现光、电、热、力等外场控制及测量引入原位/工况高时空分辨研究，在原位电镜领域取得了众多成果，并获得了广泛认可。“我觉得最难的点对我们来说可能就是坚持。”廖洪钢这样说道，“在整个过程中保持好奇心，当你通过新的方式去获取以前所未知的东西，你会非常激动，而这样的心情能够促使你长年地坚持下去。如果你坚持下去，那么迟早能克服困难，得到你想要的结果。”
 

　　产学研融合 加速原位电镜技术发展
 

　　2019年，廖洪钢创立厦门超新芯科技有限公司，将产、学、研深度融合，矢志不渝地推动各类原位芯片技术的发展与应用。在他的规划中，这家公司的诞生将为原位电镜的技术发展和应用推广提供重要助力。
 

　　首先，公司的创立为廖洪钢的众多科研成果开辟了一条更为便捷的产业化道路。高端科研设备的研发涉及多学科交叉，不仅需要仪器技术，更融合了机械、电子、软件等众多领域的智慧。研究团队中每个人的专业背景有限，而成立公司能够集结各方英才，共同完善和优化仪器的设计。此外，公司也为其赢得了更多的政府和社会资金支持，为科研活动的持续开展提供了有力保障。
 

　　其次，公司的成立使得研究团队能够更专注于科研。通过与公司的紧密合作，许多技术研究工作得以转移到公司部门中，极大地减轻了团队成员学习跨学科基础知识的负担。同时，团队中涌现的新想法和遇到的问题也能通过公司同事的协助，更加精准和高效地得到解决，从而推动设备不断优化。
 

　　目前，国外众多企业已成功将原位电镜商业化。然而引入进口仪器不仅价格高昂，往往还无法完全适配国内研究者的需求。廖洪钢也希望，能够通过厦门超新芯科技有限公司实现原位电镜技术的本土化发展创新，为国内研究者提供更好的服务与支持，以在国际上引领相关领域研究。
 

　　应用落地 贡献原位电镜中国方案
 

　　自成立以来，超新芯已实现了原位产品的全系列供应，产品涵盖科研类芯片、分析测试芯片、集成测量芯片及系统、芯片实验室解决方案和电镜配套样品台系统。其产品已全面进入各大高校和科研院所高端实验室。同时，超新芯还与产业和业内领先的仪器公司密切合作，共同发展中国原创的新技术和方法，为我国高端科研仪器国产化作出了突出贡献。
 

　　2023年，超新芯携手蔡司推出国内首个具有高品质成像和先进分析特点的原位液体电化学显微解决方案。该技术克服了液相密封安全性、液相对电子束的成像干扰、电学测量精准性、液相流控稳定性等方面的局限，实现样品在液氛中电化学反应过程的实时动态高分辨表征。这是超新芯在原位液体领域的最新成果。
 

　　而入选2023年度中国科学十大进展的“发现锂硫电池界面电荷存储聚集反应新机制”充分体现了原位液相透射电镜技术在电池研究中的应用价值。电化学界面反应在近百年来通常认为通过“内球”或“外球”单分子机制完成，该研究揭示出存在“电荷存储聚集反应”机制，为下一代电池设计提供了新的思考方式。
 

　　此外在原位气体和原位冷冻等领域，超新芯也推出了众多解决方案。例如，超新芯依托现有的冷冻杆和冷冻电镜两种原位冷冻实验方法开发优化方案，成功推出了高性价比、高稳定性的原位冷冻电镜解决方案。
 

　　从基础研究到成果落地，廖洪钢走过了漫长而曲折的科研创新道路。如今，随着超新芯不断推出先进的产品和解决方案，他的理想也在逐步变为现实，为我国科研事业的进步和发展贡献着智慧和力量。